富水松散砂礫石及泥巖復(fù)合地層隧洞綜合施工技術(shù)

李保印

摘要： 結(jié)合富水、松散砂卵石及泥巖復(fù)合地層隧洞施工實(shí)踐，分別從施工進(jìn)洞、洞身開挖支護(hù)、監(jiān)控量測(cè)、洞內(nèi)排水、二次襯砌施工等方面介紹了具體的施工措施。

Abstract： Combined with the construction practice of rich water， inattentive sand grave and the mudstone complex strata tunnel， this paper introduces the specific construction measures from construction into the hole， hole excavation support， monitoring measurement， drainage in the hole， the secondary lining construction and other aspects.

關(guān)鍵詞： 松散砂礫石；隧洞；復(fù)合地層；綜合施工

Key words： inattentive sand gravel；tunnel；complex strata；integrated construction

中圖分類號(hào)：TV554 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）08-0100-03

0 引言

沙礫石是一種顆粒狀、無粘性材料，容易產(chǎn)生水破壞、滲透破壞、冰凍破壞、松散破壞現(xiàn)象，且泥巖遇水極易軟化，成流塑狀，造成隧道開挖時(shí)圍巖變形釋放快，自穩(wěn)能力減弱，甚至消失，具有突然性。對(duì)于富水松散砂礫層及泥巖復(fù)合隧道施工時(shí)，如果施工方法選擇或過程控制不當(dāng)，極易出現(xiàn)變形無法控制，施工安全、質(zhì)量和進(jìn)度無法保障的情況。而采用邁式管棚超前支護(hù)施工并采用化學(xué)漿液固結(jié)圍巖，保證了圍巖開挖的自穩(wěn)能力，同時(shí)減小了水滲漏，極大的提高了工作效率。

1 工程概況

薩里克特水電站引水隧洞工程位于新疆伊犁州尼勒克縣境內(nèi)的喀什河上游河段，隧洞全長2175m，設(shè)計(jì)開挖斷面71.2m2，洞徑8.9m。本工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜：隧洞洞口位于V級(jí)階地坡腳處，其地質(zhì)由外到內(nèi)分別是：表層厚0.5～1.0m植被腐植土，中間為6～8m厚坡積粉土，內(nèi)側(cè)為階地砂卵礫石及泥巖互層，結(jié)構(gòu)松散，富含水。洞身通過的地層為第四系（Q3al）砂卵礫石層及下第三系（Eh）紅褐色泥巖夾薄層砂礫巖。隧洞上半洞為無膠結(jié)松散砂卵礫石層，局部夾有砂層透鏡體，厚度30cm～80cm，且有較多孤石出露，孤石粒徑不等（最大粒徑超過2m）。隧洞下半洞為紅褐色泥巖夾薄層砂礫巖，屬極軟巖，圍巖類別為Ⅴ類，第三地層成巖作用差，具遇水軟化，失水崩解，強(qiáng)度降低等特點(diǎn)。

在砂卵礫石層內(nèi)，賦存孔隙型潛水，地表水補(bǔ)給充分，在拱肩以上分布有多處滴水點(diǎn)。泥巖夾薄層砂礫巖節(jié)理較發(fā)育，沿節(jié)理面有地下水流出。由于受基巖頂托，在基巖面與砂卵礫石層的交接處，地下水溢出，水量較大。隧洞開挖后受應(yīng)力重新分布和施工過程擾動(dòng)，坍塌、超挖現(xiàn)象嚴(yán)重，成洞困難。

2 隧洞開挖支護(hù)

根據(jù)隧洞“早進(jìn)晚出”的原則，采用“零進(jìn)洞”超前管棚支護(hù)方式，增設(shè)枝狀排水系統(tǒng)，最大限度縮小洞口施工破壞范圍，保證了進(jìn)洞安全。

根據(jù)地質(zhì)情況，采用臺(tái)階分部開挖預(yù)留核心土法開挖。臺(tái)階分部開挖預(yù)留核心土法是上臺(tái)階弧形開挖預(yù)留核心土，使開挖臨空面減小，便于每次開挖后初期支護(hù)體系一次施作成型，結(jié)構(gòu)合理。

2.1 洞挖及支護(hù)

由于該隧洞起拱線以上為砂卵礪石層， 其具有密度大、大粒徑飄石含量高、顆粒級(jí)配不良、滲透性強(qiáng)、卵石強(qiáng)度高、孔隙型潛水從砂卵礪石層與泥巖層交接面溢出等特點(diǎn)，使得隧洞開挖、支護(hù)困難，超前支護(hù)及鉆孔方式必須兼有注漿與自進(jìn)功能。

2.2 超前管棚

用C25噴射砼封閉掌子面，作為止?jié){墻同時(shí)也防止在鉆孔時(shí)掌子面坍塌。在拱部120°范圍內(nèi)，開挖輪廓線以外10cm，打設(shè)R51L超前邁式管棚，長度為6～8m，管棚環(huán)向間距30cm，縱向搭接長度≥1m，外插角3～5度。管棚壁上鉆有？準(zhǔn)10mm圓孔，間距60cm，梅花形交錯(cuò)布置，以加大漿液滲透能力。邁式管棚采用YGL-100A型全液壓履帶式管棚機(jī)鉆送。

2.3 預(yù)注漿

注漿數(shù)量的控制采用定壓和定量相結(jié)合的方法，它是按需要填充的空隙量選定，以所處圍巖總體積的百分?jǐn)?shù)表示，在砂卵礫石層注漿量可高達(dá)40%，為了做好預(yù)注漿工作，必須事先對(duì)需要加固的圍巖進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，查看圍巖透水系數(shù)，顆粒組成、孔隙率、密度、pH值、剪切和抗壓強(qiáng)度等，必要時(shí)還要做現(xiàn)場注水和抽水實(shí)驗(yàn)。 經(jīng)試驗(yàn)：該隧洞砂卵礫石層孔隙率36%，填充率58%。

注漿采用水泥～水玻璃雙漿液，其結(jié)石的抗壓強(qiáng)度可大10～20MP，結(jié)石率高達(dá)90%～95%，漿液的凝膠時(shí)間能準(zhǔn)確控制在十幾秒至十幾分鐘范圍內(nèi)。

①水泥水玻璃雙漿液注漿設(shè)計(jì)配合比。

水：水泥：水玻璃=617：1233：375；水灰比=0.5，水泥漿和水玻璃體積比1：0.6。初凝時(shí)間2min，終凝時(shí)間4 min。

②注漿壓力0.5～1MPa，終壓2 MPa。

注漿時(shí)把壓力穩(wěn)定在0.5～1 MPa之間，不間斷。水泥漿攪拌完畢后采用1mm×1mm網(wǎng)篩過濾，放入葉片立式攪拌機(jī)進(jìn)行二次攪拌，確保漿液均勻。注漿順序由下向上，不可倒置。

管棚注漿后加固了軟弱圍巖，同時(shí)也封堵了部分圍巖滲水，形成超前管棚，防止了掌子面上方坍塌。

2.4 掌子面開挖

第一步開挖采用弧形開挖預(yù)留核心土方式，開挖進(jìn)尺不超過1m，核心土的作用除對(duì)掌子面和拱部圍巖其穩(wěn)定作用外，還可以作為人工操作平臺(tái)便于支護(hù)，所以核心土的預(yù)留必須有一定的長度和寬度，核心土距拱頂?shù)某叽缫詽M足人工作業(yè)為準(zhǔn)，高度選擇2.5m，核心土體長4～6m，上頂寬預(yù)留3～4m，便于人工對(duì)上臺(tái)階進(jìn)行一次支護(hù)。核心土的坡率取1：0.5～0.75，以保證核心土體穩(wěn)定。主要采用挖機(jī)配以人工開挖，欠挖部分適用鐵鍬及風(fēng)鎬找欠，對(duì)于掌子面開挖輪廓線出露較大孤石時(shí)，采用溫控靜態(tài)爆破技術(shù)，在孤石上沿開挖輪廓線打眼，孔間距不超過30cm，孔內(nèi)裝入膨脹劑藥包進(jìn)行膨脹開裂，以減少對(duì)掌子面的震動(dòng)。

中下臺(tái)階采用左右馬口跳槽開挖，開挖進(jìn)尺不超過2m，跳槽的間距不得少于2m，嚴(yán)禁在同一斷面上使左右鋼架同時(shí)處于懸空狀態(tài)，以保證安全。中臺(tái)階開挖高度選擇3m，臺(tái)階長度為6m。下臺(tái)階的開挖高度3.5m，臺(tái)階長度7m。泥巖部分采用礦山斗挖機(jī)開挖，對(duì)于稍微堅(jiān)硬的泥巖，則在挖機(jī)上配置獨(dú)鉤獵土器，每次能夠?qū)⒛鄮r鉤松30～50cm，開挖速度較快。

2.5 支護(hù)措施

根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析及圍巖的特殊情況，在圍巖自穩(wěn)的時(shí)效內(nèi)，采用分部連續(xù)開挖一次性支護(hù)的方式，避免施工工序交叉，加快了施工進(jìn)度。開挖完畢及時(shí)出渣，對(duì)巖面找欠排險(xiǎn)后，先在開挖面噴射一層4～6cm砼進(jìn)行封閉，防止巖體風(fēng)化、軟化，產(chǎn)生較大的流變。

泥巖和砂卵礫石層具有大變形和流變效應(yīng)，一次支護(hù)需要較大剛度。為減小圍巖收斂，防止圍巖失穩(wěn)，支護(hù)型式采用I18工字鋼架支護(hù)，鋼架間距50～80cm。

為了保證施工安全，防止圍巖質(zhì)量進(jìn)一步惡化，在水量較大、圍巖松散洞段徑向打設(shè)R25N自進(jìn)式中空隨機(jī)錨桿，注水泥-水玻璃漿液，起到徑向固結(jié)圍巖作用，加固改良了松散圍巖，平衡圍巖開挖后產(chǎn)生的松弛應(yīng)力，與圍巖一起構(gòu)筑成新的穩(wěn)定體系。

3 全站儀免棱鏡圍巖監(jiān)控量測(cè)

隧洞上臺(tái)階開挖時(shí)，采用鋼尺收斂儀測(cè)量各點(diǎn)間距的變化，計(jì)算其相對(duì)變形差值作為施工及設(shè)計(jì)變更的依據(jù)。隧洞中、下臺(tái)階開挖后，如再用鋼尺收斂儀進(jìn)行隧洞的監(jiān)控量測(cè)，登高作業(yè)多、工作時(shí)間受限、施工干擾大。為確保施工安全、保證施工進(jìn)度，采用了全站儀圍巖收斂監(jiān)測(cè)方法。隧洞初期支護(hù)后收斂監(jiān)測(cè)確定為每50m左右為一監(jiān)測(cè)斷面。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（5點(diǎn)6線）。

圍巖收斂監(jiān)測(cè)主要內(nèi)容是量測(cè)各點(diǎn)間的相對(duì)距離，為了便于觀測(cè)，把觀測(cè)儀器置于收斂量測(cè)斷面前后3m范圍內(nèi)按要求把儀器整平，不用設(shè)站、不用后視就可以用免棱鏡直接按其順序分別觀測(cè)各個(gè)收斂布置點(diǎn)，進(jìn)行收斂量測(cè)的數(shù)據(jù)采集。然后把采集的收斂量測(cè)數(shù)據(jù)換算成各點(diǎn)間的相對(duì)距離就可以進(jìn)行圍巖收斂情況分析。

4 洞內(nèi)自動(dòng)排水技術(shù)

砼噴護(hù)前，在泥巖與砂卵礫石交接面地下水集中的部位安裝透水盲管，盲管用無紡?fù)凉げ及乐贡粐娚漤虐鼕A心。盲管用？準(zhǔn)10cm橡膠管將巖層孔隙水導(dǎo)出洞外或臨時(shí)排水溝。洞內(nèi)抽水分為兩塊，第一為洞內(nèi)水匯集，集水坑（每200m設(shè)置一處）匯集過濾到抽水坑，然后由抽水坑匯集到移動(dòng)水箱，第二為洞外排水，即從移動(dòng)水箱向洞外排放，其中移動(dòng)水箱一般情況下距離掌子面200m左右。簡易自動(dòng)抽水裝置設(shè)置在抽水坑及移動(dòng)水箱之中，其自動(dòng)抽水原理相同，利用開關(guān)及浮球進(jìn)行控制，當(dāng)水位低于浮球標(biāo)高時(shí)，抽水開關(guān)由于浮球重力作用自動(dòng)斷開，停止抽水，當(dāng)水位超過浮球標(biāo)高時(shí)，浮球由于水的浮力漂浮于水平面上，抽水開關(guān)由于沒有了浮球重力自動(dòng)合攏，開始抽水。

5 二次襯砌先施作邊頂拱技術(shù)

二次襯砌采用全液壓鋼模襯砌臺(tái)車施工，先澆筑襯砌邊頂拱后仰拱，其施工工藝流程見圖6。

通過實(shí)踐，隧洞襯砌先澆筑邊頂拱技術(shù)是可行的，邊頂拱砼施工完畢后，集中由內(nèi)往洞口方向施做仰拱砼，由于隧洞主洞中間設(shè)有一條施工支洞，這樣就便于4個(gè)工作面同時(shí)展開仰拱砼施工，解決了襯砌施工與隧洞開挖相互干擾的問題，加快了施工進(jìn)度。

6 效果驗(yàn)證

采用邁式管棚超前支護(hù)施工并采用化學(xué)漿液固結(jié)圍巖，保證了圍巖開挖的自穩(wěn)能力，同時(shí)減小了水滲漏，極大的提高了工作效率。

采用臺(tái)階法弧形開挖預(yù)留核心土施工極大的減小的開挖空間，減弱的對(duì)周邊巖體的擾動(dòng)，保證了開挖的穩(wěn)定性，至該隧洞貫通時(shí)止未發(fā)生初支變形等現(xiàn)象。

結(jié)合監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)、繪制數(shù)據(jù)曲線、對(duì)比數(shù)據(jù)、分析誤差或原因、總結(jié)施工，用科學(xué)數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工，保證了隧洞的正常施工。

7 結(jié)束語

在極軟巖隧洞施工中，選擇合理的超前支護(hù)、開挖方式，再輔以有效的治水和監(jiān)控量測(cè)等措施，通過在施工中不斷總結(jié)、創(chuàng)新，在新奧法施工原理的指導(dǎo)下，在富水、砂卵石及泥巖復(fù)雜地層條件下，進(jìn)行洞挖支護(hù)施工是可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳杰，李洪泉.高面板砂泥巖堆石壩施工控制變形技術(shù)淺談[A].高壩建設(shè)與運(yùn)行管理的技術(shù)進(jìn)展——中國大壩協(xié)會(huì)2014學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].2014.

[2]劉樹軍.松散砂礫石層混凝土防滲薄墻成槽施工技術(shù)研究[J].工程技術(shù)，2015（13）.

[3]歐陽欽.富水地層隧洞塌方原因及處理措施[J].運(yùn)行管理，2014（05）.

[4]劉宏偉.復(fù)雜地質(zhì)條件下特大斷面導(dǎo)流隧洞綜合施工技術(shù)研究與分析[D].天津大學(xué)，2007.